“海洋四號”船高張力萬米絞車改造淺析

冼偉倫 李華龍 高方朝 余 平

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州510075）

引 言

海洋調(diào)查船是用于海洋科學(xué)考察、應(yīng)用技術(shù)研究以及測量或勘探等船舶的統(tǒng)稱［1］，是進行海洋調(diào)查與研究的重要平臺和必要工具，是海洋科研能力建設(shè)的重要組成部分，它的整體性能和技術(shù)裝備水平直接影響國家海洋事業(yè)的發(fā)展。［2］萬米絞車是海洋調(diào)查船上不可或缺的設(shè)備。

由于萬米絞車在國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)上不成熟，對海上的惡劣情況沒有充分考慮，尤其在排纜方面非常不整齊，研發(fā)投入力度不足，導(dǎo)致國內(nèi)購置非常少，各科考船的萬米絞車都是采購國外產(chǎn)品，而且趨向于采購帶有牽引的恒張力絞車。為實現(xiàn)黨中央提出的海洋強國夢，打破船載調(diào)查設(shè)備完全依靠于進口的局面，打破技術(shù)上的壟斷，實現(xiàn)機械技術(shù)裝備國產(chǎn)化勢在必然。很多國內(nèi)海洋調(diào)查機構(gòu)、科研單位和機械設(shè)備廠家都躍躍欲試，爭取調(diào)查設(shè)備國產(chǎn)化的愿望早日實現(xiàn)。

敢為人先，摸著石頭過河，就必然有經(jīng)驗、教訓(xùn)和成敗。海洋調(diào)查船的舊船改造和新船建造是相輔相成的，對海洋科學(xué)調(diào)查事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都十分必要［3］。2013年以來，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋四號”舊船改造，其萬米絞車系統(tǒng)通過國際公開招標的方式確定了貴陽某礦山機械公司為生產(chǎn)廠家。但由于其缺乏海上調(diào)查的經(jīng)驗，對海上惡劣的作業(yè)環(huán)境缺乏深入了解，對于約20 t的鋼纜高張力估計不足,導(dǎo)致所生產(chǎn)的絞車交付后不能正常使用。因此，需要對此存在缺陷的萬米絞車進行改造，讓其重獲新生，而分析萬米絞車的高張力排纜技術(shù)、研究排纜的關(guān)鍵因素，對調(diào)查設(shè)備國產(chǎn)化具有非常重要的意義。

1 萬米絞車的構(gòu)成

萬米絞車系指滾筒儲存鋼纜、光纖纜或同軸纜能力超過10 000 m的卷揚機，用卷筒纏繞纜提升或牽引重物的起重設(shè)備，并且取樣能力能滿足相應(yīng)水深及海底下取樣長度之和的海域，目前一般取樣長度為30 m內(nèi)。由于“海洋四號”船調(diào)查任務(wù)繁重，科考調(diào)查往深水海域拓展，所以本次主要針對舊船改造項目中的萬米絞車進行再次改造。萬米絞車基本構(gòu)成有液壓泵站、減速齒輪及液壓馬達、減速機的潤滑系統(tǒng)、電控機柜、操縱臺、滾筒、排纜器及其附屬設(shè)施。

2 絞車海試后遇到的主要問題

（1）“海洋四號”船改造后安裝了新的萬米絞車，船舶試航非常成功。但該絞車經(jīng)海試后卻發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)計時對海上惡劣的作業(yè)環(huán)境估計不足、絞車鋼結(jié)構(gòu)強度不夠，導(dǎo)致鋼纜增多后擠壓滾筒端面，使?jié)L筒發(fā)生變形，而這一變形又導(dǎo)致滾筒端面間距離在滾筒軸線上的方向上不均勻一致，每一層排纜的數(shù)量發(fā)生變化，滾筒距離與鋼纜的直徑不成比例，致使排纜越來越紊亂。此外，由于原絞車拉力強度不足，滾筒變形受力不均，導(dǎo)致軸承發(fā)熱，軸承在軸線垂直方向上接觸面不同導(dǎo)致磨損快速且發(fā)出異常聲音（見圖1）。

圖1 萬米絞車的滾筒

（2）拉力不夠，設(shè)計時的部分傳動設(shè)備性能未充分發(fā)揮（見圖2）。剎車馬達是液壓控制的，在液壓泵站上的一路分支，控制減速機的剎車片，但由于沒有連鎖，也沒有信號反饋，所以導(dǎo)致無法判斷該剎車是否失效或誤動作。必須設(shè)置電氣上的連鎖和獨立油泵提供剎車油，使開機之前能判斷并顯示剎車必須松開后才能啟動絞車，這樣才能避免不必要的能量損耗。減速機高速運轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速約為3 000 r/min，由于沒有強制循環(huán)冷，卻導(dǎo)致其內(nèi)部潤滑油溫度過高，使該設(shè)備的性能明顯下降，絞車拉力因而無法達到預(yù)定值。

圖2 萬米絞車的操作顯示屏

（3）由于其帶有伺服馬達的智能排纜設(shè)計不成熟，基座斷裂、傳感器容易進水腐蝕、質(zhì)量和敏感度差，導(dǎo)致鋼纜排纜紊亂、停滯不暢（見圖3和圖 4）。

圖3 萬米絞車的智能排纜器

圖4 萬米絞車的排纜情況

智能排纜器的傳感器安裝在排纜器的兩個小滾輪上。當鋼纜往某一方向運動時，帶動撥叉偏移，而使藍色的兩個傳感器與撥叉距離不同從而產(chǎn)生電位差，觸發(fā)信號傳給伺服馬達，馬達就能按照給出的指令動作；當鋼纜不偏移使撥叉恢復(fù)正中位置時，伺服馬達就停止動作。不過，由于傳感器水密質(zhì)量差、靈敏度低下，與撥叉的間隙太大，導(dǎo)致伺服馬達經(jīng)常誤動作，從而鋼纜非常紊亂。撥叉與固定的滾輪距離太近，使撥叉力臂短導(dǎo)致動作不靈敏，滾輪磨損快。

傳動滾輪圓周很小，被鋼纜帶動從而高速旋轉(zhuǎn)。由于滾輪調(diào)質(zhì)處理不過關(guān)，導(dǎo)致硬度不夠，故磨損特別快。當其與鋼纜接觸面變小時，便容易使計數(shù)不準確，而磨損的傳動滾輪壓著鋼纜的力度變小又會導(dǎo)致張力計不準確。

3 解決方案

由于“海洋四號”船任務(wù)非常繁重，需要一臺可靠的萬米絞車來執(zhí)行調(diào)查任務(wù)，要解決萬米絞車海試中存在的問題，鋼結(jié)構(gòu)需重新制作，零部件必須進行優(yōu)化設(shè)計，具體措施如下。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)問題

海上科考調(diào)查作業(yè)的環(huán)境非常惡劣，鹽分大、海況風浪變幻無常，科考調(diào)查作業(yè)對船舶及其設(shè)備的強度要求非常高。絞車再次改造時，對主滾筒進行重新設(shè)計，充分考慮了海上惡劣的工作環(huán)境以及涌流影響，采用加厚鋼材，并進行結(jié)構(gòu)加強；軸承按照安全工作拉力的需求，再加上1.5倍的安全系數(shù)；結(jié)構(gòu)加強太多或者用料上太保守，肯定影響滾筒旋轉(zhuǎn)速度，為了不因結(jié)構(gòu)變化而影響齒輪的傳動，用戶提出創(chuàng)新設(shè)想，把傳動齒輪和滾筒外板分開，傳動齒輪和滾筒傳動軸通過鍵的方式連接，驅(qū)動滾筒圓周運動，使傳動齒輪不受鋼纜排纜纏繞時產(chǎn)生的對滾筒端面?zhèn)认蛄Φ姆e壓，也通過鏈條傳動來強行驅(qū)動機械排纜器，該排纜器可以隨時脫開并適當自我調(diào)整（見圖6）。

3.2 拉力不夠問題

拉力不夠的主要原因有以下三點：

（1）減速機發(fā)熱導(dǎo)致性能明顯下降，磨損過大，達不到預(yù)定拉力；

（2）受側(cè)向力的滾筒單薄變形，導(dǎo)致其基座軸承受力不均，軸承發(fā)熱，甚至卡死不動；

（3）剎車沒有及時松開甚至誤動作，導(dǎo)致能耗過大。

根據(jù)以上缺陷和安全工作負荷和系數(shù)，采取如下措施：

（1）對原來的泵站系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計,對其檔板高度、齒輪強度、主軸強度、滾筒強度重新進行校核； 同時進行有限元分析并采取得力加強措施，對其減速比進行重新計算，提高其鋼纜線速度。

（2）更換排纜器、滾筒、軸承、滾筒和傳動齒輪分開并通過軸向鍵槽連接，剎車使用獨立的油泵。

（3）尤為重要的是，經(jīng)過用戶詳細觀察分析、大膽提出創(chuàng)新，對減速機采取強制循環(huán)油冷卻的辦法，使得其溫度明顯降低，從而提高了效率（見圖 5）。

圖5 減速機及傳動齒輪

3.3 排纜器問題

不過，上述幾點都較容易整改并實現(xiàn)，關(guān)鍵是排纜器問題。當今國內(nèi)的智能排纜器軟件及其芯片技術(shù)設(shè)計上不夠成熟，很容易出現(xiàn)排纜紊亂現(xiàn)象，再加上各個智能排纜的傳感器質(zhì)量不過關(guān)，比較容易腐蝕導(dǎo)致故障不斷，因此現(xiàn)在只能采取最簡單可靠的機械排纜方式：傳動齒輪驅(qū)動主滾筒轉(zhuǎn)動，在另一端通過鏈條或者齒輪帶動排纜器強制運動，從而帶動鋼纜進行有序排列。盡管偶爾需要適當自我調(diào)整，但不會像智能排纜那樣產(chǎn)生故障且導(dǎo)致停滯不前。制作生產(chǎn)安裝調(diào)試后，經(jīng)過4天的海上試驗驗收并成功通過，現(xiàn)在一直在海上安全地生產(chǎn)作業(yè)（見圖6）。

圖6 新的萬米絞車

在滾筒底層安裝了LEBUS纜槽，對底層排纜能夠固化有序，打下了堅實排纜基礎(chǔ)，對整體排纜起到相當好的作用。

4 排纜問題的具體改造工作

4.1 機械排纜的基本工作原理

機械排纜的原理是由液壓泵站驅(qū)動傳動齒輪和主滾筒旋轉(zhuǎn)，同時按照計算好的減速比通過鏈條或齒輪傳動來帶動排纜器主軸進行旋轉(zhuǎn)。主軸是具有月牙形狀螺紋的絲杠（見圖6），絲杠上面的撥叉夾著鋼纜沿著主軸來回往復(fù)運動，使鋼纜按照設(shè)計好的主滾筒和排纜器之間的減速比在滾筒上規(guī)律且整齊地排纜；又因為是月牙形狀的絲杠，使撥叉能夠在絲杠的盡頭自動返回進行往復(fù)運動，從而使鋼纜能較順暢地纏繞于滾筒。

為防止機械排纜偶爾出現(xiàn)排纜不整齊或跳槽的現(xiàn)象，排纜器主軸和主滾筒之間的連接通過離合器來脫開，利用人工方式重新將鋼纜整理順暢后再嚙合進行排纜。

4.2 機械排纜的主要關(guān)鍵因素

機械排纜的整齊程度取決于滾筒底層否有纜槽，取決于排纜器的計算是否準確。

4.2.1 纜 槽

纜槽也稱作LEEBUS纜槽（即折線纜槽），由美國人Frank Leebus發(fā)明。這種纜槽在滾筒周向的大部分區(qū)段保持與滾筒端面平行，只有很小區(qū)段與滾筒端面相交，因此纜槽必然出現(xiàn)折線現(xiàn)象，故名“折線纜槽”。

隨著LEBUS纜槽的誕生，鋼纜在主滾筒5/6圓周的相互平行的，兩個過渡段約1/6圓周是折線的。

滾筒上纏繞的每一層纜繩是其上一層的基礎(chǔ)和軌跡，尤其是最底層，這對于滾筒上纏繞的纜繩排列是否整齊順暢起到關(guān)鍵作用。為了纜繩在剛開始纏繞時就能夠整齊有序，在制作滾筒時就要安裝纜槽。該纜槽可以直接制作滾筒時在其底徑表面上用數(shù)控機床來加工切割，也可以用另外材料分開兩個半圓加工制作好后，焊接或者螺栓連接固定在滾筒上。以直徑16 mm的鋼纜為例，纜槽稍微寬些，為16 mm+0.5 mm。如圖7和圖8所示，纜槽展開圖是對稱的，有平行段和過渡段，鋼纜可沿著纜槽順暢纏繞。

圖7 鋼纜排序正視示意圖

Parallel：平行段※過渡段，每一轉(zhuǎn)有兩個過渡段。

4.2.2 排纜器計算

不同的鋼纜截面直徑，其滾筒和排纜器的計算結(jié)果不同,當然纜槽設(shè)計也不盡相同，但計算方法是相同的，現(xiàn)以16 mm的鋼纜為例說明。

圖7、圖8表明排纜器軸絲杠螺距與LEBUS纜槽螺距之間的關(guān)系,絲杠螺距和纜槽螺距成比例關(guān)系，傳動比的選擇沒有強制規(guī)定，只是涉及到排纜器的運轉(zhuǎn)速度快慢問題，比如上述傳動比約是1 : 4，即絲杠旋轉(zhuǎn)一圈，那么滾筒需要旋轉(zhuǎn)約四圈，這需要計算滾筒傳動齒輪和排纜器齒輪的減速比來實現(xiàn)。

為實現(xiàn)整齊緊密排纜，在設(shè)計排纜器時必須滾筒每旋轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)向套筒通過撥叉在絲杠上移動一個鋼絲繩直徑的距離。［5］

設(shè)絲杠的螺距為P,滾筒轉(zhuǎn)速為n1，絲杠轉(zhuǎn)速為n2，鋼絲繩直徑為d，滾筒每旋轉(zhuǎn)一周，絲杠旋轉(zhuǎn)n2/n1周，導(dǎo)向套移動距離為P×(n2/n1),則d =P×(n2/n1)，P = d(n1/n2)。

圖9表明了鋼纜每一層與LEBUS纜槽的導(dǎo)向關(guān)系。換言之，絞車滾筒旋轉(zhuǎn)80轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了排纜器滑塊移動的距離等于A到B的距離，即160轉(zhuǎn)就是一個來回。螺紋數(shù)量沒有強制規(guī)定，根據(jù)船舶實際允許安裝的尺寸需要來決定絞車和滾筒的尺寸，從而決定螺紋數(shù)量。

圖9 排纜器和滾筒傳動示意圖

滾筒的內(nèi)寬 W′ = P′×(n+0.5)= 1 330 mm

排纜軸的有效寬度W = 64.5×20 = 1 290 mm

滾筒每一圈,排纜器軸滑塊移動的距離P"=W/n =16.125 mm

綜上所述, W′＞W(wǎng)和P′＞P″為了讓在滾筒兩端需要淺而平滑的角度，從而使鋼纜盡可能線性走向。

纜槽的螺距一般是鋼纜的截面直徑加上適當?shù)拈g隙。當如果沒LEBUS纜槽時，鋼纜只能沿著滾筒的圓周以螺旋方式纏繞,如果第一層是左手方向，那么第二層是右手方向，跨過第一層上，以此類推，隨著層數(shù)的增多很容易產(chǎn)生紊亂。為使鋼纜更加線性走向，必須滿足以下幾點：

（1）鋼纜的的截面必須是圓的，而且形狀不變。

（2）鋼纜的外徑必須是均勻的，而且誤差不超過±0.3 mm。

（3）鋼纜相位角度和排纜器滑塊間沒有偏差，如果存在則需要調(diào)整。

（4）需安裝張力計和計數(shù)器，鋼纜的張力需沒有非常明顯的波動，如果由于上一層鋼纜的輕負荷和船舶的搖晃就很容易出現(xiàn)跳槽現(xiàn)象，從而不能保證鋼纜從始到終進行線性順暢地纏繞滾筒。

針對上述問題和注意事項，采購質(zhì)量更加可靠的進口鋼纜，可保證鋼纜的圓度和圓柱度誤差在設(shè)計范圍內(nèi)，為保證張力非常明顯的波動落差，如果絞車再次改造，建議采購一套波浪補償裝置來實現(xiàn)。

4.3 智能排纜和機械排纜對比

使用智能排纜和機械排纜兩種不同的排纜方式，各有利弊，針對本次改造過程和結(jié)果，總結(jié)出各自優(yōu)點參見表1。

表1 國產(chǎn)絞車的智能排纜和機械排纜的優(yōu)缺點

續(xù)表1

5 結(jié) 語

“海洋四號”船的萬米絞車改造是按照《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》［4］以及《船舶檢驗規(guī)則》等送中國船級社進行圖紙審核并認可的。改造總結(jié)經(jīng)驗如下：

基于海上惡劣的工作環(huán)境，設(shè)備設(shè)計時必須持保守態(tài)度，各種安全系數(shù)都需遠高于在陸地，如材料厚度、軸承強度、結(jié)構(gòu)加強等。原動力必須充分考慮海底下涌浪的沖擊以及調(diào)查設(shè)備出土?xí)r候的破土力等，使安全系數(shù)提高些。

此外，智能排纜還不成熟，尤其是軟件和傳感器質(zhì)量，需要花大力氣研究。而機械排纜是非常成熟的、簡單可靠的，但必須要安裝LEEBUS纜槽，使排纜順暢些，考慮到是高張力鋼纜，排纜器設(shè)計時的強度系數(shù)必須明顯提高。

總之，“海洋四號”船齡已有30多年，此次萬米絞車改造雖然是國內(nèi)第一個敢于“吃螃蟹”的，是成功的，但仍有很多亟待改進完善之處，需作進一步研究探討。

國際上，船載絞車趨勢是電動或液壓的帶牽引的恒張力智能絞車，排纜既順暢又安全高效，故障率非常低。在國家號召大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的形勢下，希望能產(chǎn)生由我國自主研發(fā)生產(chǎn)的設(shè)備。盡管國內(nèi)產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)目前尚不夠成熟，仍需不斷摸索、砥礪前行，但也需要有人敢為天下先。我們相信在不久的將來，我國自主研發(fā)的設(shè)備定能日臻成熟并且走向國際市場！